1、光纤通信系统 导 论学习内容 光纤的基本理论 光源与光发送机（英文）光检测器与光接收机 无源光器件 光纤通信新技术 光网络2022-9-1222022-9-12光纤通信系统3本节内容2022-9-12光纤通信系统4光纤通信的定义是采用光波作为信息载体，并采用光导纤维作为传输介质的一种通信方式。2022-9-12光纤通信系统5通信波段划分及相应传输媒介10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（自由空间波长（m m）电力、电话电力
2、、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见可见 光光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AMAM无线电无线电FMFM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质2022-9-12光纤通信系统618502000年间比特率距离积的变化2022-9-12光纤通信系统7理论上光纤通信可容纳：理论上光纤通信可容纳：电话：电话：7 7.5 5亿路亿路电视：电视：3030万路万路2022-9-12光纤通信系统8光纤通信的发展历程 原始光通信阶段；近代实验探索阶段；系统实验及实用化阶段。2022-9-12光纤通信系统9原始光通信光通信是一种古老的信息传递方式，也是一种被普遍使用的信息
3、交流方法。中国古代边防报警的烽火台的烟火、古埃及的烽烟塔、美洲印第安人利用烟火传递信息等都是原始性的一种光通信。这些都是用可见光进行的视觉通信，传输效率非常低，不能称得上是完全意义上的光通信。2022-9-12光纤通信系统10近代实验探索 大气光通信 1880年，A.G.贝尔用可见光进行光电话实验，证实光波可以携带信息，但这种形式的光通信并未得到发展，其主要原因有二：光源：光谱频带太宽，无合适的光源；传输媒质：光波在大气中的传输极不稳定。2022-9-12光纤通信系统11 地下光通信 为使光波不受大气层中各种因素的干扰，人们将光波的传输转入了地下，即透镜波导和反射镜波导的光波传输系统。系统造价
4、昂贵，并且调整、测试、维修都很困难，因此光波地下通信无实用意义。2022-9-12光纤通信系统12透镜波导2022-9-12光纤通信系统13反射波导型2022-9-12光纤通信系统14两个关键技术的提出 合适的光源；传输介质：2022-9-12光纤通信系统15光 源 1960年7月8日，美国科学家梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器；1970年，贝尔实验室的林彦雄成功研制了在室温下连续工作的半导体激光器，体积较小，耗电少，能直接用于电流调制，使用方便。2022-9-12光纤通信系统16(first)Ruby laser,T.H.Maiman,July,1960,at th
5、e Hughes Research Laboratories The word laser has been generally accepted since about 19652022-9-12光纤通信系统17光 纤 1854年，就认识到光纤导光传播的基本原理全内反射;十九世纪二十年代，制成了无包层的玻璃光纤；二十世纪五十年代，用包层可以改善光纤特性，当时的主要目的是传输图像;20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上。2022-9-12光纤通信系统18光纤理论突破 1966年7月，英国标准电信研究所的英籍华人高锟（C.K.Kao）博士及Hockman首次从理论上预言光纤
6、损耗可降至20dB/km以下，并指出了进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。(著名论文“Dielectic-fiber Surface Waveguide for Optical Frequencies”)光纤的损耗不是石英纤维本身的固有特性，而是由于材料中的杂质离子吸收产生的。提纯。2022-9-12光纤通信系统19光纤之父高 锟2022-9-12光纤通信系统20国外光纤技术发展情况 日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100 dB/km 1 9 7 0 年，美 国 康 宁 玻 璃 公 司（Corning Glass Works）马勒博士等三人的研究小组首次研制成
7、功损耗为20 dB/km光纤 里程碑（2）低损耗光纤的研制成功以及半导体激光器的实用化标志着近代光纤通信技术的开端。2022-9-12光纤通信系统21低损耗光纤的迅速发展 1974年，贝尔实验室（Bell）发明了制造低损耗光纤的方法，称作改进的化学汽相沉积法（MCVD）.光纤损耗下降到1dB/km。1976年，日本电话电报公司研制出更低损耗光纤，损耗下降到0.5dB/km。1979年，日本电报电话公司研制出0.2dB/km的光纤(1.55m)，这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限.目前，光纤最低损耗为0.17dB/km。2022-9-12光纤通信系统22国内光
8、纤技术发展情况在70年代国外的低损耗光纤获得突破后，我国从1974年开始了低损耗光纤和光通信的研究工作，并于70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信实验系统。这些成果成为我国光通信研究的良好开端，并使我国成为当时少数几个拥有光缆通信系统试验段的几个国家之一。到80年代末，我国的光纤通信的关键技术已达到国际先进水平。2022-9-12光纤通信系统23系统实验及实用化1976年，美国首先在亚特兰大成功的进行了44.763 Mb/s传输10公里的光纤通信系统的现场实验。1978年，日本开始了速率为100 Mbit/s多模光纤通信系统的
9、现场试验。1981年，日本F100M光纤通信系统商用。2022-9-12光纤通信系统24光纤通信的五代2022-9-12光纤通信系统25 第一代第一代:工作波段为工作波段为0.8m0.8m，BLBL约为约为500Mb500Mb/s.km/s.km 第二代第二代:工作波段为工作波段为1.3m1.3m的光波，的光波，BLBL约为约为85Gb85Gb/s.km/s.km 第三代第三代:工作波段为工作波段为1.55m1.55m的光波，的光波，BLBL约约1000Gb1000Gb/s.km /s.km 第四代第四代:采用采用光放大器光放大器增加中继距离，采用增加中继距离，采用频分和波分频分和波分复用复用
10、增加比特率为特征，增加比特率为特征，BLBL约为约为2000Gb2000Gb/s.km/s.km 第五代第五代:以以光孤子脉冲光孤子脉冲为通信载体，采用为通信载体，采用OTDMOTDM和和WDMWDM联联合复用为通信手段，以合复用为通信手段，以超大容量、超高速率超大容量、超高速率为特征的通信为特征的通信方式方式2022-9-12光纤通信系统26国外最新进展 1999年，美国朗讯 1Tb/s(10010Gb/s)1200万话路.2000年，日本NEC 3.2Tb/s(16020Gb/s)试验。2001年，日本NEC 10.92Tb/s(27340Gb/s)试验。(1.32亿路)2022-9-12
11、光纤通信系统27光纤通信系统组成信信源源电发电发射机射机光发光发射机射机光中继光中继光接光接收机收机电接电接收机收机信信 宿宿2022-9-12光纤通信系统28单信道全光中继数字通信单信道全光中继数字通信光光-电电-光中继的数字通信光中继的数字通信典型通信链路方框图2022-9-12光纤通信系统29光纤通信的优点 频带宽，通信容量大；损耗低，中继距离长；抗电磁干扰；无串音干扰，保密性好；光纤线径细、重量轻、柔软；原材料资源丰富，可节约金属材料；耐腐蚀，寿命长。2022-9-12光纤通信系统30光纤通信的缺点 光纤质地脆、机械强度低；需要比较好的切割及连接技术；分路、耦合比较麻烦；弯曲半径不宜太
12、小。2022-9-12光纤通信系统31光纤通信系统的应用 电信应用 数据通信 视频图像通信 2022-9-12光纤通信系统32光纤通信发展趋势及关键技术 光波分复用技术；相干光纤通信技术；超长波长光纤通信；光孤子通信；全光通信。2022-9-12光纤通信系统332022-9-12光纤通信系统342022-9-12光纤通信系统352022-9-12光纤通信系统36思 考 题与传统的电通信相比较，谈谈光纤通信的主要特点。1光纤通信系统的基本组成部分是什么？并说明各部分的作用。22022-9-12光纤通信系统38电信应用光纤通信主要用于遍及全球的电信网中作数字语言通信。电信应用又分二类：长距离和短距
13、离。长距离通信（包括越洋洲际通信）系统要求有大容量的干线，光纤通信系统可发挥最大的优势。短距离通信像城市之间，距离几十至几百公里。光纤通信的发展通常由长途电信应用推动，光波系统的每一代系统都力争能工作于更高的比特率和更长的通信距离。2022-9-12光纤通信系统39数据通信早期主要用于计算机数据和传真信息的通信，距离一般比较短，速率较低，如工矿企业、办公大楼、宾馆医院、船舶、飞机、列车等场合，距离几百米到几公里。现在已开始向高速长距离方向发展，光纤通信系统将发挥巨大作用。2022-9-12光纤通信系统40视频图像通信主要用于广播电视与光CATV系统中，用于传送宽带高质量图像，将电视节目分配给各
14、街道点及其范围内的各家用户，实现光纤到户。2022-9-12光纤通信系统41古烽火台2022-9-12光纤通信系统42光话机原理图光话机原理图弧光灯ABMNL送话器第二章 光纤与光缆(1)2022-9-12光纤通信系统44本节内容2022-9-12光纤通信系统45多姿多彩的光纤2022-9-12光纤通信系统46光纤的物理结构2022-9-12光纤通信系统47光纤材料目前，通信光纤的纤芯和包层的主体材料都是石英玻璃，也就是SiO2。为了制作两种具有相似特性、而折射率只有一个很小差异的材料以便形成纤芯和包层，可以在SiO2中掺入各种氧化物。vGeO2纤芯，SiO2包层；vP2O5纤芯，SiO2包层
15、；vSiO2 纤芯，B2O3-SiO2包层；vGeO2-B2O3-SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层。注意：重要！注意：重要！2022-9-12光纤通信系统48阶跃光纤与渐变光纤为什么采为什么采用这样的用这样的结构？结构？2022-9-12光纤通信系统49光纤的导光原理(射线分析)2022-9-12光纤通信系统50全反射 定义：当入射角增大到某一角度，使折射角达到90o时，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射。理解：全反射现象是光的折射的特殊现象，折射光线的能量等于零，光线只按反射路线传播，且遵循光的反射定律。条件：光线从光密介质射向光疏介质，且入射角大于或等于临界角。202
16、2-9-12光纤通信系统51模式色散的衡量及影响 L=L/sin -L =L(n1/n2-1)=L(n1/n2)()T=L/v =L n1/c =(L/c)(n12/n2)()根据根据 T TB=1/BBL=L/TB L/T =(c/)(n2/n12)n21rn1n0 是什么是什么?2022-9-12光纤通信系统52习题例例1：已知：已知n1=1.5，n2=1.0，试求其试求其BL。解：解：BL(c/)(n2/n12)=0.4(Mb/s).km 例例2：已知已知n1=1.5，=0.002。试求其。试求其BL。解：解：BL(c/)(n2/n12)=100(Mb/s).km2022-9-12光纤通
17、信系统53渐变光纤的引入 群时延差限制了光纤的传输带宽。为了减少多模阶跃折射率光纤的脉冲展宽，人们制造了渐变折射率光纤。渐变折射率光纤的折射率在纤芯中连续变化。适当选择折射率的分布形式，可以使不同入射角的光线有大致相同的光程，从而大大减小群时延差。2022-9-12光纤通信系统54渐变光纤的光学特性)()21()()(21)(22/112/11arnnarrfnrnf(r)=(r/a)f(r)=(r/a)，是一个描述光纤剖面折射率分布的，是一个描述光纤剖面折射率分布的函数；函数；a a是纤芯半径；是纤芯半径；r r是光纤中任意一点到轴心的是光纤中任意一点到轴心的距离。使群时延差减至最小的最佳的
18、距离。使群时延差减至最小的最佳的 在在2 2左右，左右，称为抛物线分布。称为抛物线分布。光学特性决定于它的折射率分布。渐变型光纤光学特性决定于它的折射率分布。渐变型光纤的折射率分布可以表示为的折射率分布可以表示为2022-9-12光纤通信系统55渐变光纤分析2022-9-12光纤通信系统56子午光线与斜光线2022-9-12光纤通信系统57渐变光纤的群时延差NA sin i=(n12-n22)1/2 T/L=n1 2/(8c)BL v低频光低频光2.2.色散系数色散系数D D为负：正色散为负：正色散v高频光高频光|Dw|2022-9-12光纤通信系统112模间色散 多模光纤中不同导模具有不同的
19、传播路径和速度导致了多模光纤中不同导模具有不同的传播路径和速度导致了模间色散。模间色散。对于子午光纤，经过长度对于子午光纤，经过长度L L后模间色散可能产生的最大脉冲后模间色散可能产生的最大脉冲展宽为：展宽为：L为两种模式的光程差。为两种模式的光程差。cLnTTT1minmaxmod2022-9-12光纤通信系统113偏振模色散(PMD)双折射效应导致了偏振模色散双折射效应导致了偏振模色散PMD PMD 受环境受环境(如振动、温度、应力等如振动、温度、应力等)影响非常显著，跟模内影响非常显著，跟模内色散相比具有不稳定性和突发性。因此，色散相比具有不稳定性和突发性。因此，PMDPMD补偿的难度比
20、补偿的难度比较大，关于补偿的方法目前尚无定论。较大，关于补偿的方法目前尚无定论。2022-9-12光纤通信系统114PMD 对传输的影响2022-9-12光纤通信系统115色散对传输带宽的影响：宽谱光源 GHz4/14/1SMFLDTB比较大的时候，单模光纤带宽：比较大的时候，单模光纤带宽：例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用标准单模光纤D=17 ps/kmnm，那么系统带宽和距离乘积带宽和距离乘积：BL 1(Gb/s)km假设1550 nm为系统的零色散波长，系统的BL值为：BL 40 40 Gb/sGb/s高速系统的应用场合，色散成为首要考虑的因素之一高速系统
21、的应用场合，色散成为首要考虑的因素之一。2022-9-12光纤通信系统116色散对传输带宽的影响：窄谱光源GHz4/12SMFLB比较小的时候，单模光纤带宽：比较小的时候，单模光纤带宽：不同线宽下的系统色散所允不同线宽下的系统色散所允许的带宽与传输距离的关系许的带宽与传输距离的关系0 nm：展宽远小于一个比特：展宽远小于一个比特 时的光源线宽时的光源线宽结论：结论：1)1)光源线宽越宽色散越严重光源线宽越宽色散越严重2)2)零色散光纤对提高系统性零色散光纤对提高系统性 能作用明显能作用明显2022-9-12光纤通信系统117光纤的非线性效应 在线性光学中，物质对光场的响应与光的场强成线性关系。
22、尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。导致新的学科分支非线性光纤光学。2022-9-12光纤通信系统118光纤非线性效应分类光纤非线性效应分类2022-9-12光纤通信系统119非线性效应概述 SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的
23、脉冲展宽，尤其在高速系统中。2022-9-12光纤通信系统120光纤的非线性效应 单信道系统，功率水平10Gb/s 10Gb/s 的实验系统的实验系统第八章 光纤通信系统的性能与设计 光纤通信系统结构光纤损耗对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤通信系统设计中的功率预算系统功率代价二、色散与光纤二、色散与光纤G.652G.652（标准单模光纤标准单模光纤SMFSMF）:零色散波长零色散波长:1300:1300nmnm15501550色散色散:1617:1617ps/nm.kmps/nm.kmG.653G.653（色散位移光纤色散位移光纤DSFDSF）:零色散波长零色散波长:1550:1550nm
24、nmG.655G.655（非零色散位移光纤非零色散位移光纤NZDSFNZDSF）:1550nm1550nm色散色散:26:26ps/nm.kmps/nm.km三、色散限制 光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离。导致色散限制的物理机制随不同波长而不同。1.0.85m光波系统 第一代光波系统，通常采用低成本的多模光纤作为传输媒质。主要限制因素是模间色散。多模阶跃光纤，多模阶跃光纤，BL=c/(2nBL=c/(2n1 1)。典型值典型值n n1 1=1.46=1.46、=0.01=0.01，传输距离随比特率的曲线。传输距离随比特率的曲线。即使在即使在B B 1Mb/s 1Mb/s 的低比特率，也
25、是色散限制的，其传输距离限制在的低比特率，也是色散限制的，其传输距离限制在10km10km内。应内。应用：数据连接，很少用于光纤通信系统中。用：数据连接，很少用于光纤通信系统中。2.1.3m光波系统 第二代光波系统采用最小色散波长在1.3m附近的单模光纤，最大的限制因素是由较大的光源谱宽支配的由色散导致的脉冲展宽。比特率距离积 BL(4|D|)-1 D为色散，为光源的均方根谱宽。|D|典型值为 1-2ps/(km-nm)当取|D|=2ps/km时，BL 125(Gb/s)-km 3.1.55m光波系统 第三代光波系统工作在损耗最小的1.55m波长，光纤色散是系统的主要限制因素。对普通单模光纤，
26、在1.55m处D的典型值为17ps/(km-nm)，色散值比较高，由色散导致的脉冲展宽较大，系统处于色散限制状态。采用单纵模半导体光源可大大缓解这种限制。最终限制为：B2L SPC)演示演示10G MESHServerT20002.5G MESH传统无保传统无保护业务护业务PC-SPC业务在线升级业务在线升级SPC业务业务业务在线升级，实现传统业务向智能业务平滑过渡业务在线升级，实现传统业务向智能业务平滑过渡自动重自动重路由路由自动重自动重路由路由N1N2N3N4N5N6ASON的主要特点的主要特点网络拓扑自动发现,自动实时更新拓扑克服了传统光网络拓扑的变化不能实时克服了传统光网络拓扑的变化不
27、能实时反映到网管，无法实现实时管理的缺点反映到网管，无法实现实时管理的缺点1）选择源和宿2）选择带宽、级别以及约束条件3）源节点自动计算最佳路径4）业务生成ABGHIFCDET1T2T3T4选择业务路径电路自动建立，业务快速响应克服了传统光网络中业务生成需要网克服了传统光网络中业务生成需要网管逐段配置，业务开通时间长的缺点管逐段配置，业务开通时间长的缺点智能网元智能网元用户设备用户设备支持流量工程，网络负载自动均衡和优化支持流量工程，网络负载自动均衡和优化ABCD10GMSP传统环网扩容传统环网扩容10G SDHMesh 网络扩容网络扩容10G网络网络ABCDEE155M/622M/2.5G速
28、率都可以速率都可以设备的速率设备的速率至少至少10G智能网元智能网元10G在业务量不均匀的网络节点，在业务量不均匀的网络节点，Mesh网扩容更自由网扩容更自由等级等级钻石级金级银级铜级铁级标志保护方式永久永久11保护保护保护与恢复保护与恢复（重路由）（重路由）恢复（重恢复（重路由）路由）无保护无保护额外传额外传送业务送业务恢复时间30ms50ms100ms2s不保证不保证不保证不保证业务分级，提供差异化等级服务业务分级，提供差异化等级服务汇聚环汇聚环10G MSP10G MESHServerT20002.5G MSP2.5G MESH工作路径工作路径保护路径保护路径工作路径工作路径保护路径保护
29、路径工作路径工作路径保护路径保护路径提供BoD、OVPN等新型增值业务Time7:00pm3:00pm 9:00am带宽需求9:003:003:007:00 7:00后BBOD实现真正的按需分配实现真正的按需分配按需带宽业务routerrouterrouterOADMrouterOADMrouterOADMrouterOADMOXC，OADM+router驱动力：动态带宽分配，集成的智能控制层面。驱动力：动态带宽分配，集成的智能控制层面。第三代光网络：智能光网络第三代光网络：智能光网络透明子网透明子网不透明节点不透明节点透明子网中光通道实现端到端的连接透明子网中光通道实现端到端的连接不透明节点
30、实现子网间互联，包括电子不透明节点实现子网间互联，包括电子3R再生再生随着光子技术的发展，透明子网的范围逐步扩大随着光子技术的发展，透明子网的范围逐步扩大。透明节点透明节点光光交交换换结结构构电电交交换换结结构构不透明节点不透明节点O/EE/O透明全光网光滤波光滤波与放大与放大光滤波光滤波与放大与放大O/O/OO/E/OWDM转转发单元发单元WDM转转发单元发单元全光直通全光直通光交换技术技术技术粒度粒度特点特点光电路交换光电路交换波长波长/波带波带/光纤光纤静态配置或者端到端信令静态配置或者端到端信令光突发交换光突发交换1 s-100 s突发包突发包预留带宽交换，无需缓存预留带宽交换，无需缓
31、存光分组交换光分组交换10ns-10 s光分组光分组存储转发交换，需要缓存存储转发交换，需要缓存光电路交换光电路交换光突发交换光突发交换光分组交换光分组交换光电路交换网络交换平面交换平面控制平面控制平面端到端信令端到端信令波长光通路波长光通路-routing光交叉连接节点光交叉连接节点GMPLS控制器控制器光分组交换网络控制头控制头数据分组数据分组交换平面交换平面控制平面控制平面光分组交换节点光分组交换节点OPS 控制器控制器光突发交换网络控制分组控制分组突发数据包突发数据包时间偏差时间偏差交换平面交换平面控制平面控制平面光突发交换节点光突发交换节点OBS 控制器控制器光交换技术的发展时间时间
32、Static动态特性动态特性Optical packetswitchingDynamic WDM 动态信道路由动态信道路由Static network configuration静态网络配置静态网络配置 Optical label switching hoursmsecsec sec光突发交换光突发交换光分组交换光分组交换IP-支持寻址支持寻址ATM-保障保障QoSSDH-提供复用、低误码率和容差能力提供复用、低误码率和容差能力WDM-提供大容量传输提供大容量传输IP的智能和的智能和DWDM的速度和容量的的速度和容量的结合是构建未来网络唯一可行策略。结合是构建未来网络唯一可行策略。面向IP的扁平化网络结构大势所趋光传送网发展历程小结 传送网出现透明化、分组化的趋势 数据和光网络走向更深层次的融合 智能光网络需要在提升网络业务提供能力等方面进一步向前发展5702022-9-12下一代光网络的要素网络资源网络资源网络网络控制控制网络网络管理管理业务业务应用应用构造光网络构造光网络的物质基础的物质基础下一代光网络基下一代光网络基本操作手段本操作手段 光网络的终极目标光网络的终极目标
